陳慶斌 王素君 趙立偉

摘要：本文采用有機(jī)玻璃土柱，研究了水分在不同類型、不同容重土壤下的滲透規(guī)律。試驗(yàn)研究對(duì)象為不同容重的綠化鹽堿土、綠化種植土和容器苗土壤，保持水頭恒定480分鐘。試驗(yàn)結(jié)果表明，3種類型的土壤在試驗(yàn)初始階段，垂直滲透速率變化較大，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，水分在土壤中的垂直滲透速度均逐漸變小。隨著容重的減小，水分在土壤中的垂直濕潤(rùn)距離隨之增加，相同滲透時(shí)間內(nèi)垂直濕潤(rùn)距離呈增加趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：滴灌;土壤容重;滲透速率

土壤滲透性是土壤的一項(xiàng)重要物理參數(shù)，不僅是影響坡面徑流、土壤侵蝕發(fā)生的重要因素，同時(shí)也是合理調(diào)控土壤水分、預(yù)防季節(jié)性干旱的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。因此，研究水分在土壤中的下滲速度及深度具有重要的理論和實(shí)踐意義。在滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，土壤的垂直濕潤(rùn)距離是非常重要的。水分在土壤中的垂直濕潤(rùn)距離必須到達(dá)植物根部區(qū)域，滿足植物正常生長(zhǎng)的需水要求。通常情況下，滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和土壤質(zhì)地有很大關(guān)系。但由于濕潤(rùn)體形狀是由土壤的水力特性決定的，其水力特性不僅與土壤質(zhì)地有關(guān)，而且與土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，在滴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要考慮土壤結(jié)構(gòu)是和土壤質(zhì)地情況。

本試驗(yàn)探尋水分在不同容重土壤條件下的滲透速度，水到達(dá)土層某一深度的時(shí)間，為采用滴灌方式澆灌綠地的，水到達(dá)植物根系所在土層深度的時(shí)間提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?供試材料

采用80厘米高的有機(jī)玻璃土柱，供試土壤為容器苗土壤、綠化種植土，綠化鹽堿土，土壤理化指標(biāo)如表1。

1.2 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

天津市綠化種植土土壤的容重應(yīng)為 1.30克/立方厘米以下，但是大部分的城市綠地土壤的容重都高于此值。因此，根據(jù)不同土壤類型，設(shè)置不同容重梯度，測(cè)定滲透速度。

試驗(yàn)所用土柱高度為80厘米、直徑14厘米，裝土高度為50厘米。根據(jù)公式計(jì)算達(dá)到試驗(yàn)容重所需的土壤質(zhì)量。

裝土體積：V=πr2H=7693立方厘米

裝填土壤密度：ρ=dv*（100+W）/100

裝填土壤質(zhì)量：m=ρ*V

式中，V：裝土體積;W：含水率（%）;dv：設(shè)計(jì)容重;ρ：裝填土壤密度;m：裝填土壤質(zhì)量。

為了保證土柱初始含水率均勻和密度均一，處理土樣經(jīng)過風(fēng)干、破碎和過篩（孔徑2毫米）。在準(zhǔn)備好土樣后，先測(cè)定土的初始含水率。在有機(jī)玻璃底部墊有一層加厚無(wú)紡布，用于防止土壤顆粒流失，然后按照一定的容重和初始含水率分層裝填土樣，每5厘米裝一層。裝土?xí)r，首先要稱取每層所要填土的重量，每層裝入土后都要先整平，然后用工具夯實(shí)，使得裝入的土與該層事先標(biāo)定好的線相平齊，然后用小刷子適當(dāng)拋毛，以保證土體密度的均一性，在澆水時(shí)不會(huì)出現(xiàn)分層，避免會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，然后進(jìn)行下一層裝填，直到達(dá)到設(shè)計(jì)高度為止。考慮到澆水沉降，稱取土的質(zhì)量不變，添加到土柱的高度可比設(shè)計(jì)高度高一些。土壤層頂部覆蓋加厚無(wú)紡布，以減少進(jìn)水對(duì)土層的擾動(dòng)。在有機(jī)玻璃土槽的側(cè)面貼好標(biāo)尺，用來記錄濕潤(rùn)鋒的變化過程。

1.3 ?試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)用注射器針頭模擬滴頭，采用馬氏瓶供水保持水壓恒定，通過調(diào)節(jié)注射器和馬氏瓶進(jìn)氣口和出水口的高差來控制滴頭流量。保持水頭基本恒定，使液面高度在2厘米左右。試驗(yàn)開始后，分別在1分鐘、2分鐘、3分鐘、5分鐘、10分鐘、20分鐘、30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘、150分鐘、180 分鐘（若水下滲慢則延長(zhǎng)觀察時(shí)間）記錄土柱濕潤(rùn)深度，選3處點(diǎn)測(cè)量，并計(jì)算總用水量。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)用水量及水下滲深度，繪制滲透速度圖，計(jì)算滲透速率。

圖1、圖2、圖3為水分在不同容重的綠化鹽堿土、綠化種植土和容器苗中的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特征。試驗(yàn)持續(xù)8小時(shí)。圖1對(duì)比了1.4克/立方厘米、1.5克/立方厘米和1.6克/立方厘米容重下的綠化鹽堿土垂直濕潤(rùn)距離，結(jié)果顯示，1.4克/立方厘米容重下的土壤在480分鐘內(nèi)下滲的垂直距離最大，為7.03厘米。其次，1.5克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離為6.83厘米，1.6克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離最短，為5.33厘米。圖2對(duì)比了1.3克/立方厘米、1.4克/立方厘米和1.5克/立方厘米容重下的綠化種植土垂直濕潤(rùn)距離。結(jié)果顯示，1.3克/立方厘米容重下的土壤在480分鐘內(nèi)下滲的垂直距離最大，為19.66厘米。其次，1.4克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離為15.47厘米，1.6克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離最短，為12.97厘米。圖3對(duì)比了1.1克/立方厘米、1.2克/立方厘米和1.3克/立方厘米容重下的容器苗土壤垂直濕潤(rùn)距離。結(jié)果顯示，1.1克/立方厘米容重下的土壤在480分鐘內(nèi)下滲的垂直距離最大，為33.30厘米。其次，1.2克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離為32.20厘米，1.3克/立方厘米容重下土壤下滲垂直距離最短，為22.10厘米。

3種類型的土壤試驗(yàn)初始階段的垂直滲透速率均較大，尤其在0～30分鐘以內(nèi)，滲透速率變化很大。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，滲透速率均逐漸減小。但是隨著容重的增大，相同滲透時(shí)間內(nèi)垂直濕潤(rùn)距離呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)土壤容重小時(shí)，孔隙度較大，滲透速率也較大，此時(shí)垂直方向滲透速率主要受重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)影響。由達(dá)西定律可得垂直方向的滲透速率公式。

公式1：Vh=Kh（Ψz +Ψm）

公式2：Vh=Kh（Ψz +Ψp）

式中，Vh為垂直方向滲透速率，Kh為垂直方向滲透系數(shù)，Ψz為重力勢(shì)，Ψm為基質(zhì)勢(shì)，Ψp 為壓力勢(shì)。由公式1可以看出，水分在垂直方向上受力為重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)之和，所以水分優(yōu)先沿著垂直方向滲透。隨著土壤容重的增加，孔隙度減小，水分在土壤中的滲透速率也隨之減小。當(dāng)滲透速率減小到低于試驗(yàn)?zāi)M流速時(shí)，在濕潤(rùn)面附近便逐漸有水分聚集，形成了飽和水帶，垂直方向上的滲透速率變?yōu)橛芍亓?shì)和壓力勢(shì)控制（公式2）。在垂直方向上，由于因滲透系數(shù)減小引起的滲透速率減小，造成壓力勢(shì)增大程度不足以抵消因滲透系數(shù)減小造成的滲透速率減小程度，因此，垂直方向滲透速率隨容重增大呈減小趨勢(shì)。

3 ?結(jié)論

3種類型的土壤，在試驗(yàn)初始階段，垂直滲透速率均較大，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，滲透速率均逐漸減小。隨著容重的增大，水分在土壤中的垂直濕潤(rùn)距離隨之增加，相同滲透時(shí)間內(nèi)垂直濕潤(rùn)距離呈減小趨勢(shì)。

基金項(xiàng)目：天津市互聯(lián)網(wǎng)跨界融合創(chuàng)新科技重大專項(xiàng)（18ZXRHNC00120）。

天津市規(guī)劃和自然資源局2019年規(guī)劃和自然資源系統(tǒng)科研項(xiàng)目（ML2019-HP-F161）。

作者簡(jiǎn)介：陳慶斌（1986-），男，副高級(jí)工程師。從事土壤退化研究及治理工作。